Эйнштейн предположил, что не только поглощение излучения происходит порциями энергии, но и само излучение существует в виде дискретных микроскопических объектов — квантов света.
На фоне больших успехов волновой теории света возврат к давно забытой корпускулярной концепции казался невозможным. И все же в 1909 г. Эйнштейн пришел к необычному выводу о том, что свет обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами.
Идея дуализма (лат. dualis — двойственный) света как волны и корпускулы — кванта другими учеными была принята скептически. Но в 20-х годах гипотеза световых квантов или фотонов (греч. photos — свет) нашла экспериментальное подтверждение. Американский физик А. Комптон установил, что при рассеянии легкими элементами рентгеновских лучей в рассеянном излучении появляются лучи с измененной длиной волны, зависящей от угла рассеяния.
При всей своей необычности образ фотона под давлением фактов вошел в сознание ученых.
Итак, если Планк в неявной форме применил идею дискретности к энергии, то Эйнштейн распространил ее на электромагнитное поле. Кванты энергии и кванты поля, т.е. фотоны ознаменовали рождение новой, неклассической физики. Ее сущностью стала идея кванта как многообразной прерывности. При этом, дискретность нашла новую связь с непрерывностью.
4. Корпускулярно - волновой дуализм
Вещество — это волны. Догадка о корпускулярно-волновом дуализме применительно к свету была высказана Эйнштейном в 1909 г. Объяснение эффекта Комптона сделало ее достоверной физической истиной.
де Бройля— не только свет, но и вещество обладает корпускулярно-волновым дуализмом.
Свет и вещество являются видами единой материи, если ее понимать достаточно широко. Стало быть, если свету присуще фундаментальное свойство дуализма, то оно не может не принадлежать и веществу. Тут де Бройль исходил из принципа симметрии сущностных свойств физической материи. Таким образом, с каждым телом вещества (микрочастицы, макротела) сопряжены некоторые волны определенной частоты или длины волны:
"Волны де Бройля". Этот образ весьма сильно повлиял на австрийского физика-теоретика Э. Шредингера (1887—1961). Если всем телам присущи волновые процессы, то и электронам соответствуют свои волны. Данный вывод в 1926 г. он представил в виде дифференциального уравнения для волновой функции, описывающей форму электронных волн. Так возникла волновая механика как одна из двух разновидностей квантовой механики. Волновая механика утверждается как физическая теория. В 1927 г. волновая механика получила прямое экспериментальное подтверждение. К. Дж. Дэвиссон и Л. Дж. Джермер провели опыты по рассеянию электронов на поверхности металлов.
Таким образом, идея де Бройля о волнах вещества стала несомненной теорией, и кор-пускулярно-волновой дуализм представил природу вещества и электромагнитного поля.
Квантовая механика внесла в научную картину природы очень важный вывод. Все виды физической материи обладают нераздельным единством прерывных и непрерывных свойств. Это положение надолго стало предметом бурных научных и философских дискуссий.
Открытие микромира. В 1897 г. был обнаружен электрон, масса которого оказалась намного меньше массы атома. Открытие радиоактивности показало, что атомы могут распадаться с выделением излучения и энергии. Под давлением этих фактов рухнула древняя идея о неделимости атома.
1). Атом как "булка с изюмом"
Первая модель атома была построена английскими физиками В. Томсоном и Дж. Томсоном к 1903 г.
Несмотря на наивность такой, модели, представление о слоистом расположении электронов оказалось перспективным.
Планетарная модель атома
Резерфорд разработал новый вариант планетарной модели. В центре атома расположено ядро с размерами порядка 10 13 см. Вокруг него вращаются электроны, число которых таково, что общий заряд атома равен нулю. И это число равно порядковому номеру элемента в периодической системе Менделеева.
Против планетарной модели были выдвинуты возражения. Согласно электродинамике вращающиеся электроны должны непрерывно излучать электромагнитные волны, терять энергию и падать на ядро, что ведет атом к неустойчивости. Однако этого в природе не наблюдается. Кроме того, модель не могла объяснить вид эмпирически установленных атомных спектров.
Квантовая модель атома
В 1913 г. датский физик Н.Х.Д. Бор (1885—1962) внес в планетарную модель принципиально новые идеи, выходящие за пределы классической физики. Они получили название постулатов Бора. Каждый_ллектро.н..может совершать устойчивое движение по определенной орбите, не испуская и не поглощая электромагнитного излучения. Если электрон переходит с одной орбиты на другую, то он испускает или поглощает определенную порцию энергии, величина которой кратна кванту hvj Такой переход не является постепенным и представляет собой квантовый скачок. При поглощении атомом излучения электрон переходит с внутренней, более близкой к ядру, орбиты на внешнюю, более далекую от ядра. При обратном переходе атом излучает фотоны с квантами энергии.
Теория Бора удовлетворительно объяснила спектр водорода, ре подтвердили опыты Франка и Герца по ионизации паров ртути ударами электронов.
Квантовая модель объясняет периодическую таблицу Менделеева. Квантовая теория Бора помогла представить строение сложных атомов.
То, что гениально угадал Менделеев, Бор объяснил теоретически, с помощью квантовых принципов. И все же теория Бора не объясняла того, откуда следуют определенные количества электронов в оболочках (2, 8, 16, 32). Этот пробел заполнили немецкий физик В. Паули (1900—1958) и другие ученые.
Гипотеза Паули о двузначности электрона обрела ясный смысл, что подтвердили опыты Штерна и Герлаха. С этого времени спин стали выражать двумя квантовыми числами, а полное состояние электрона в атоме — четырьмя квантовыми числами. И здесь Паули предложил принцип, согласно ему в атоме не может быть двух или более электронов, для которых значения всех четырех квантовых чисел одинаковы.
Периодическая система Менделеева получила полное теоретическое объяснение.
Принципы:
Принцип неопределенности, по мнению Бора, вынуждает пересмотреть классическую версию объективности, согласно которой объект исследования не зависит от экспериментального измерения (наблюдения).
Таким образом экспериментатор-наблюдатель в некотором смысле создает изучаемую реальность и этот вклад выражает принцип неопределенности.